JP2020531700A - ナノファイバヤーンの選択的浸透 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国特許法第119条の下で、ここに引用することで本明細書の記載の一部をなすものとする、2017年8月17日に出願された「Selective Infiltration of Nanofiber Yarns」と題する米国仮特許出願第62/546,613号に基づく優先権を主張する。
第1の内部に第1の複数のファイバ間の隙間空間を画定するとともに、第1の外側表面を有する複数のナノファイバの第1の部分と、第1の複数のファイバ間の隙間空間の少なくとも一部の中に配置され、且つ表面コーティングセクションの第1の外側表面上に配置されている浸透材料とを備え、前記露出面セクションは、第2の内部に第2の複数のファイバ間の隙間空間を画定するとともに、第2の外側表面を画定する複数のナノファイバの第2の部分と、第2の複数のファイバ間の隙間空間の少なくとも一部の中に配置された浸透材料とを備え、第2の外側表面は露出しているというものである。
ナノファイバヤーン内の複数のナノファイバ間の隙間の空間の中に材料を浸透させることは、ナノファイバヤーンの多様な特性(化学的、機械的、又は電気的な特性)を向上できる。また、概して、ナノファイバヤーンに浸透した材料の層は、ナノファイバヤーンの外側表面上に配置されたままとなる。浸透した材料が導電性ではない例(例えば、非導電性ポリマー又は電気絶縁体で充填された材料)の場合、ナノファイバヤーンの外側上にある層は、ナノファイバヤーンとの導電性の接点(例えば、電気はんだの導電率に匹敵する又は超える導電率)を確立することが困難である。ナノファイバ自体が導電性である例(例えば、カーボンナノファイバ)の場合、浸透が行われたナノファイバヤーンの外側における電気抵抗性コーティングは、システムの他の要素との導電接続を要する用途でのナノファイバヤーンの使用を妨げることがある。言い換えると、ナノファイバヤーンは導電性であってよいが、非導電(つまり、絶縁)材料の外部層は、導電性のナノファイバヤーンを電気的に遮蔽された状態にする。浸透後にナノファイバヤーンの外側表面から浸透材料を部分的に除去することは、困難であることがある。多くの場合、ナノファイバヤーンの表面上にある浸透材料は、ナノファイバヤーンの内部(つまり、外側表面により形成された境界の内側)の浸透材料にしっかりと付着している(及び/又は一体化している)。外部表面層を熱的又は化学的に除去すると、浸透が行われたナノファイバヤーンのその他の部分(複数のナノファイバ自体を含む)に損傷を与えることがある。これは、同様に、ナノファイバヤーンの電気的及び/又は機械的特性を低下させることがある。
本明細書で使用するように、用語「ナノファイバ」は、1μm未満の直径を有するファイバを意味する。本明細書の実施形態はカーボンナノチューブから製造されるとして主に説明しているが、他の炭素同素体(グラフェン、マイクロメートルもしくはナノスケールのグラファイトファイバ及び/又はプレート、ならびに窒化ホウ素等のナノスケールファイバの他の組成物)であっても、以下に説明する技術を使用し、高密度化(densified)及び/又は機能化(functionalized)できることが理解される。本明細書で使用するように、用語「ナノファイバ」及び「カーボンナノチューブ」は、単層(single walled)カーボンナノチューブ及び/又は複数層(multi-walled)カーボンナノチューブの両方を包含し、これらは炭素原子が互いに連結されて円筒形の構造を形成するものである。一実施形態では、本明細書で言及するカーボンナノチューブは、4から10個の層(wall)を有する。本明細書で使用するように、「ナノファイバシート」又は単に「シート」は、引き出しプロセス(ここに引用することで本明細書の記載の一部をなすものとする国際公開第2007/015710号に記載)によって整列された複数のナノファイバのシートを指し、このシートのナノファイバの長手方向の軸は、シートの主面に対して垂直(つまり、多くの場合「フォレスト」と呼ばれる、シートが堆積された通り(as-deposited)の形)ではなく、シートの主面に平行になる。これは、それぞれ図3及び図4に説明され、示される。
本願の複数のナノファイバは、フォレスト構成での配置に加えて、シート構成で配置されてもよい。本明細書で使用するように、用語「ナノファイバシート」、「ナノチューブシート」、又は単に「シート」は、複数のナノファイバが端から端へと平面に整列されているという、複数のナノファイバの配列を指す。例示的なナノファイバシートの図は、寸法のラベルとともに図3に示される。一実施形態では、シートはシートの厚さよりも100倍以上大きい長さ及び/又は幅を有する。一実施形態では、長さ、幅、又は両方は、シートの平均厚さよりも103倍、106倍、又は109倍以上大きい。ナノファイバシートは、例えば約5nmと30μmの間の厚さ、及び意図した用途に適した任意の長さ及び幅を有する場合がある。一実施形態では、ナノファイバシートは、1cmと10メートルの間の長さ、及び1cmと1メートルの間の幅を有する場合がある。これらの長さは、単に例示のために提供される。ナノファイバシートの長さ及び幅は、製造設備の構成によって制約され、ナノチューブ、フォレスト、又はナノファイバシートのいずれかの物理的特性または化学的特性によって制約されない。例えば、連続的なプロセスは、任意の長さのシートを作ってもよい。これらのシートは、それらを作りつつ、ロールに巻き付けてもよい。
以下の例は主にヤーン(単糸(single ply yarn)、又は2又はそれ以上の独立した糸を互いに撚り合わせた撚糸(multi-ply yarn))に焦点を当てているが、これは単に説明の便宜上のためである。ヤーンだけではなく、他の形のナノファイバを以下の例に説明するナノファイバヤーンの代用品として使用できることが理解される。例えば、フォレストから引き出されたが、ヤーンのように撚られていない(又は仮撚りされた)ナノファイバのストランド(strand)も、本開示の実施形態に従って取り扱ってもよい。複数のナノファイバの実施形態は、ヤーンであるか、撚られていないストランドであるか、密度が高められているか、密度が高められていないか、又はフォレストかに関わらず、一般的に複数のナノファイバの「集合体(corrections)」又は「構造体(structures)」と呼ばれる。
図6は、浸透材料でナノファイバヤーンの浸透を制御するための例示的なシステム600を示す。図7は、実施形態において、ナノファイバヤーンの浸透を制御するための例示的な方法700のプロセスフロー図を示す。図6及び図7を同時に参照することは、説明を容易にする。
図8は、ここで説明した実施形態がナノファイバヤーンに適用された実験例の結果を示す。この実施例では、0.3重量%のポリビニルアルコール(PVA)のジメチルスルホキシド(DMSO)溶液が調製された。このポリマー溶液は、ヤーンが製造されるにつれて、カーボンナノチューブ(CNT)ヤーンに適用された。CNTフォレスト、シート、及びヤーンは、上記および国際公開第2007/015710号に説明した方法に従って作成された。CNTフォレストから引き出されたCNTシートから作り出されたCNTヤーンは、例えば、ここに引用することで本明細書の記載の一部をなすものとする米国特許出願第62/435,878号明細書に説明した方法を使用し、仮撚りされた。この実施例の実験では、ヤーン直径は約28ミクロン(測定誤差及び直径の通常の変動により、+/−10%)であった。
本開示の実施形態の上述の説明は、例示のために提示されている。包括的であること、又は特許請求の範囲を開示された正確な形式に制限することは意図されていない。当業者は、多くの修正形態及び変形形態が、上記の開示を鑑みて可能であることを理解できる
Claims (26)
- 複数の連続ナノファイバの集合体であって、
表面コーティングセクションと、
前記表面コーティングセクションと連続する露出面セクションと
を備え、
前記表面コーティングセクションが、
複数のナノファイバの第1の部分であって、この第1の部分が、第1の内部に第1の複数のファイバ間の隙間空間を画定するとともに、第1の外側表面を有する、複数のナノファイバの第1の部分と、
前記第1の複数のファイバ間の隙間空間のうちの少なくとも一部の中に配置されているとともに、前記表面コーティングセクションの前記第1の外側表面上に配置されている浸透材料と
を備え、
前記露出面セクションが、
複数のナノファイバの第2の部分であって、第2の内部に第2の複数のファイバ間の隙間空間を画定するとともに、第2の外側表面を画定する、複数のナノファイバの第2の部分と、
前記第2の複数のファイバ間の隙間空間のうちの少なくとも一部の中に配置されている浸透材料と
を備えるが、前記第2の外側表面上には浸透材料が実質的にはない、
複数の連続ナノファイバの集合体。 - 生来のセクションを更に備え、前記生来のセクションが、第3の内部に第3の複数のファイバ間の隙間空間を画定するとともに、第3の外側表面を画定する複数のナノファイバの第3の部分を備え、前記第3の複数のファイバ間の隙間空間及び前記第3の外側表面上には浸透材料がない、請求項1に記載の連続ナノファイバの集合体。
- 前記浸透材料が実質的にはない前記第2の外側表面と電気的に接触している導電体を更に備える、請求項1に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記導電体と前記複数の連続ナノファイバの集合体との間の電気抵抗が3000オーム/cm未満である、請求項3に記載の連続ナノファイバの集合体。
- 前記浸透材料が実質的にはない前記第2の外側表面で3000オーム/cm未満の電気抵抗を有し、前記表面コーティングセクションの前記第1の外側表面で3000オーム/cmより大きい電気抵抗を有する、請求項1に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記露出面セクションと電気的に接触しているはんだ接点を更に備える、請求項1に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記はんだ接点と電気的に接触する導電体を更に備える、請求項6に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記導電体、前記はんだ接点、及び前記露出面セクションが、集合的に300オーム/cm未満の電気抵抗を有する、請求項7に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記表面コーティングセクションと前記露出面セクションとが隣接する、請求項1に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記複数のナノファイバの前記第1の部分及び前記複数のナノファイバの前記第2の部分の1つ以上が100μm未満の直径を有する、請求項1に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記複数のナノファイバの前記第1の部分及び前記複数のナノファイバの前記第2の部分の1つ以上が50μm未満の直径を有する、請求項1に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記ナノファイバがカーボンナノファイバである、請求項1に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- 前記カーボンナノファイバが複数層カーボンナノファイバである、請求項1〜12のいずれか一項に記載の複数の連続ナノファイバの集合体。
- ナノファイバヤーンであって、
前記ナノファイバヤーンの外側表面を画定する複数のナノファイバと、
前記ナノファイバヤーンの内部の複数のファイバ間の隙間空間の少なくとも一部の中に配置されている浸透材料と
を備え、
前記ナノファイバヤーンの前記外側表面には浸透材料が実質的にはない、
ナノファイバヤーン。 - 前記外側表面がカーボンナノファイバの外表面を備える、請求項14に記載のナノファイバヤーン。
- 前記外側表面の一部分と電気的に接触し、直接物理的に接触する導電体を更に備える、請求項14に記載のナノファイバヤーン。
- 前記外側表面の一部分と電気的に接触し、直接物理的に接触するはんだ接点を更に備える、請求項14に記載のナノファイバヤーン。
- 前記はんだ接点、及び外側表面が、集合的に300オーム/cm未満の電気抵抗を有する、請求項14〜17のいずれかに記載のナノファイバヤーン。
- 前記浸透材料が非導電性ポリマーである、請求項14に記載のナノファイバヤーン。
- 前記浸透材料が、ポリマーと前記ポリマーの中のナノ粒子とを備える、請求項14に記載のナノファイバヤーン。
- ナノファイバ構造体を製造するための方法であって、
複数のナノファイバの集合体を提供するステップと、
前記複数のナノファイバの集合体に浸透材料を適用するステップと、
前記複数のナノファイバの集合体の外側表面に前記浸透材料のコーティングを形成するとともに、前記複数のナノファイバの集合体の内部に前記浸透材料を浸透させるステップと、
前記ナノファイバ構造体の前記外側表面上の前記浸透材料の前記コーティングを除去するステップと
を含む、方法。 - 前記浸透材料の前記コーティングを除去するステップが、前記ナノファイバの集合体に真空を印加することを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記除去するステップが、前記浸透材料の前記コーティングに流体の噴出を適用することを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記浸透材料が、前記ナノファイバの集合体の前記外側表面上の前記浸透材料の前記コーティングを除去した後、前記ナノファイバの集合体の前記内部の中には留まる、請求項21に記載の方法。
- 前記浸透材料の前記コーティングを除去した後、はんだ接点を、前記ナノファイバの集合体の前記外側表面と直接物理的に接触させるステップを更に含む、請求項21〜24のいずれかに記載の方法。
- 前記提供される複数のナノファイバの集合体が、ナノファイバのフォレストから引き出されるものである、請求項21に記載の方法。
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